特集
光伝送技術
∪･D･C･〔る21.391.る4:る81.7.0る8.2〕:占25･74る･53道路情報光伝送システム
OpticalTransmissionSYStemSforRoadTrafficandMeteoro10g■Callnformation月山道路(一般国道112号)は,山形県のI11形市側と庄内地方を結ぶ重要な横断
道路で,他に類を見ない豪雪地に加え長大トンネル群を抱えてお†),冬季は交
通の難所と言われている｡建設省東北地方建設局は月山道路の適正な維持管三哩
に加え,各種道路情報を迅速に収集し,道路利用者への的確な情報提供などの
ニーズにこたえるものとして,既設気象観測装置,各種防災設備,道路状況確
認用のITV(工業用テレビジョン)設備,および道路情報を利用者へ的確に提供
するための各種情報設備を,有機的に結ぶ道路情報管理システムの整備を推進
中である｡日立製作所ではこのような状況のもとで,今回第一期工事分として
湯殿山除雪ステーションと月山国道維持出張所間の約26kmに道路情報管理シス
テムを納入し,昭和63年3月から運用が開始された｡
n
緒
言
東北横断自動車道酒上月線の整備が着々と進むなかで,月山 道路の幹線道路としての重要性が増加し,高速交通ネットワークの一環として高規格道路に準じた安全で確実な交通の確
保が大きな課題となった｡建設省東北地方建設局では,長年 にわたって的確かつ迅速な道路情報管理システムの構築を検 討してきた｡この結果,画像伝送が可能な装置の導入が必要 との結論に達した｡このため,情報が大量に伝送でき,かつ 低損失,広帯域で画像伝送に優れた特惟を持つ光通信による 道路情報管理システムの構築が計画された｡ 本稿は,日立製作所が納入し,昭和63年3月から運用を開始した湯殿山除雪ステーション(以下,除雪ステーションと言
う｡)と月山国道維持出張所(以下,月【_UHl弓長所と言う｡)間約
26kmを無中継で伝送する道路情報光伝送システムについて, その概要を述べる1)･2)｡囚
システムの構成
道路情報管理システムは,次の装置で構成している｡ (1)月山道路での積雪量を想定して,道路側借のポール上約 10mおよびトンネル内壁面に設置されるITV(⊥業用テレビジ ョン)カメラ装置 (2)除雪ステーション,月山出張所に設置した各ITVカメラ装置の制御,および画像信号を集約するITV制御装置
(3)除雪ステーションのITV制御装置で任意の画像3チャネルを選択後,月山出張所へ多重伝送する100Mビット/秒光画
渡辺敏夫*
森谷道明*
宮川芳郎**
柴田敏郎***
関原周二****小出和夫****
71バん才/ノーI勿/αタブ〟占(ノ ル7∼cんオ(Jん才ノl如ノγ才ヽ,(/ 1′rノぶん∼γ∂ルタわ′√材〟∼√〟 7も∫んオ7′∂Sん7わ〟/〟 .ゞ力み才S〔Jゑ才ん(Jm +打〟Z〟(ノブrり/(んノ 像伝送装置 (4)国道沿いに設置された気象観測装置から観測データ,トンネル内に設置された各種防災設備からの管理データ,ITV
カメラ装置を月山出張所で遠隔制御するためのITV制御信号, および連絡用電話音声信号を双方向多重伝送する32Mビット/ 秒データ光伝送装置 (5)気象観測装置からのデータを除雪ステーションに伝送す るための気象データ伝送装置(6)1=Ll出張所で道路状況の監視を行う集合表示盤
(7)各種データの集中管理と分析を行うためのデータ表示装 置 道路情報光イ云送システムの系統図を図lに,除雪ステーシ ョンおよび月山出張所の全景を図2,3に,各装置の外観を 図4-7に示す｡田ITV設備
道路,_Lに設置するITVカメラ装置は,カメラ部とカメラ制 御部に分類される｡カメラ部は,3板式固体カラーカメラ, 電動ズームレンズ,耐寒式屋外ケースおよび電動雲台で構成 している｡カメラ制御装置は,光送受信部,制御部および耐 富受電部によって構成している｡各ITVカメラ装置は,道路側帯のポール_L約10mまたはト
ンネル内壁面に設置し,マルチモード光ファイバを介して【叫 像信号を除雪ステーションに伝送する｡ * 口立製作所戸i塚工場 ** 口立製作所情報通信システム事業部 ***日立製作所システム事業部 ****H立電子株式会社ビデオシステム事業部カメラ1 トンネル 管理データ タ 象一 気デ 多重装置 道行沢 注:略語説明 2 3 □ -TV制御装置 1. 〇.タ 10メ m k 4 信号転送装置 4 5 [ 100Mビット/秒光送信装置 画像符号化部 【U O C D O C D O C 100M…佃多重化部
匝垂司
100M…佃光送信部 光ケーブル 50m 気象 変電所データ 20 1TV制御信号1気象データ転送信号去
電話音声信号1 4 打ち合わせ電話信号1 100Mビット/秒光受信装置 画像復号化部□
集合表示盤⊂][コ
巨]丁[ヨ
シングルモード形 光ファイバケーブル(12心) 100M…佃光受信部 100M…佃分離化部 警報部 C rJJ D C ｢ヒ D C rJJ D -TV制御装置 亡:コ ⊂コ ⊂=】郵
帰象･トンネル表示部l
操作卓○
VTR 32Mビット/秒データ光 伝送装置 信号変換部 端+木インタ フェース郡 馴れ佃多重分離化部 馴れ佃光速受信部 警報部 32Mビット/秒テ一夕光 伝送装置 訓h佃光送受信郡 酬ぃ佃多重分離化部回
信号変換部 端末インタ フェース部 操作部 データ表示装置 気象データ転送信号 電話音声信号 打ち合わせ電話信号 警報信号出力 ■ 湯殿山除雪ステーション 26km COD(画像符号化回路),DEC(画像復号化回路),什∨(エ業用テレビジョン) 図l道路情報光伝送システム系統図 成している｡ 月山国道維持出張所 道路監視画像,気象データなど各種データおよび制御信号を統合して伝送し,集合表示されるよう構漆
薦
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図2 湯殿山除雪ステーション全景 各装置は2階の機械室に設 置されている｡各ITVカメラ装置の画像信号および制御信号(電動ズームレ
ンズ,電動雲台などの遠隔制御信号)はすべて除雪ステーショ
ンに集約される｡ ITV制御装置の映像分配切換文字発生部によって切り換え 麟 図3 月山国道維持出張所全景 2階の機械室に各装置が設置さ れている｡られた画像信号3チャネルは,100Mビット/秒光画像伝送装
置によって月山出張所に伝送され,集合表示盤__f二に設置した
3台のカラーモニタテレビジョンに出力している｡ また,1チャネルは,除雪ステーション内での監視映像と道路情報光伝送システム 335 畔≡ 】 :㌢ こ山エ､. r † ミ己㌣く∼､/ニr 巨 位妻ミ … 〔
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票差
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≡望三7羞……≡謹望ニ;喜三;云‡ミニ/1亀′;:′ ､‥′三摂1 ㌘ …亨 を 言享≡‡ミ ∵ご′′;′ご外∧ミニ; F′芯ご三ごま 図6 月山国道維推出張所に設置された各装置 左からITV制御 装置,100Mビット/秒光画像受信装置,32Mビット/秒データ光伝送装 置を示す｡ 図41T〉カメラ装置 道路側帯の高さ10mのポール上に設置され ている｡ ⊂01=⊃ こ:ニユ にじ ⊂コ ⊂=ニさi
車 ･側-mI拉付H湖暮l約柵剛 甘 ･.t■ 事由 図5 湯殿山除雪ステーションに設置された各装置 左から32 Mビット/秒データ光伝送装置,100Mビット/秒光画像送信装置,汀〉制 御装置を示す｡ してカラーモニタテレビジョンに出力される｡ ITVカメラ装置への遠隔制御信号は,32Mビット/秒データ 光伝送装置を介して川【川1張所から伝送される｡ ITV設備の接続系統凶を図8にホす() 〓≡∴廿.三芳
リ〓ニ ∨泌 脚･･野田･･耶く-1窪田 ●l■■ ■ll■■ tl■■ ■●■ ■l■･ 塾喜盗琵正造盗温 ヒ1三三ニ 山･ヒニ+ 図7 月山国道維持出張所集合表示盤およびデータ表示装置 湯殿山除雪ステーションから伝送された映像が,左から3台のカラ ーモニタテレビジョンに表示される｡凸100Mビット/秒光画像伝送装置
1()OMビット/秒光匹酬象伝送装置は,32Mビット/秒のディ
ジタル画像イ言号3チャネルを多串化し,光伝送する装置でBTS (BroadcastingTechnicalStandard)架実装を採用した光送
信装置と光受信装置で構成している｡ 本装置の主要諸元を表1に,回路系統図を図9にホす(つ 4.1画像符号化方式 アナログ画像信号をディジタル信号に変検する画像符号イヒ 万上〔には,大別して帯域非圧縮方式と庄縮方式がある｡lTVカメラ装置 カメラ
[:亘亘]
⊂□
｢￣￣ l カメラ[:亘]
[三□
制御部 操作器 カメラ[二亘∃
ロコ
光送受信器 映像分配切換 文字発生部国
力ラーモニタ テレビジ; ン カメラ[:亘]
[三□
￣ ｢ l 1 1 1 I _ + カメラ[:亘□
[二亘]
映像信号出力 チャネル1 チャネル2 チャネル3 汀∨制御装置 注:略語説明 E/0(光送信器),FS(制御受信部の光受信器を含む｡) 図8 一丁V設備接続系統図 道路上に設置されたITVカメラ装置から の画像信号が,什〉制御架に光伝送される｡ 100Mビット/秒光送信装置 画像符号化部｢
￣■￣ 画像信号入力 画像信号入力 画像信号入力 AClOO V CODl COD2 COD3 100Mビット/秒光 送信部 100M M]× PWR ｢ PWR 100M ALM IF + =M ∧H ーー￣ ｢ 100M OS｢1.一■:+
.一+
警報信号出力 (制御装置などへ) 注:略語説明 (a)湯殿山除雪ステーション 表I100Mビット/秒光画像伝送装置主要諸元 導入された装置 の主要諸元および特性を示す｡ 項 目 特 性 伝 送 信 号 32Mビット/秒×3チャネル 符号化方式 直線符号化方式 帯域圧縮方式 フレーム内予測符号化方式 多重化方式 非同期時分割スタッフィング多重 多重信号速度 97.728Mビット/秒 光伝送速度 =l.689Mビット/秒 光伝送符号 8BIC符号 無中継伝送距離 30km 発 光 素 子 LD 受 光 素 子 Ge-APD 波 長 l.3トIm 電 源 電 圧 AC100V,50/60Hz 周囲温湿度条件 一柑∼十400C,90%以下 構 造,寸 法 BTS架実装,幅570×奥行き450×高さZ′060(mm) 注:略語説明 8B】C(8Binary with】Complementinsertion),Ge-APD(Germ∂n山m-Avalanche Photo Diode),BTS(Broadcasting
TechnjcalSt∂ndard) 帯域非圧縮方式の場合,ナイキスト定理にのっとりディジ タル化するため標準の画像信号1チャネルの伝送に100Mビッ ト/秒程度の伝送速度が必要となる｡したがって,本装置では 帯域圧縮方式の一方式である直接符号化フレーム内予測化方
式を採用し,画像信号1チャネルを伝送速度32Mビット/秒の
ディジタル信号に変換し,自然な動きで高品質映像の伝送を
100Mビット/秒光受信装置 画像復号化部｢‥￣
｢
￣￣｢ 100Mビット/秒光 受信部.-:+
光ファイバ ケーブル 100M OR 100M DM〕×由
｢
++
DECl DEC2 DEC3 AJM 100Mピッ 川F A R ･W P 卜/秒受信警報部｢:●:
(b)月山国道維持出張所 画像信号出力 画像信号出力 画像信号出力 AClOO V 警報信号出力 (制御装置などへ) CODト3(画像符号化回路),100M M〕X(多重回路),100M OS(光送信回路),ALM(警報回路),ALM肝(警報インタフェース回路) PWR(電源回路),DECl∼3(画像復号化回路),100M DM〕X(分離回路),100M OR(光受信回路) 図9100Mビット/秒光画像伝送装置回路系続図 32Mビット/秒のディジタル画像信号3チャネルを多重化して光伝送する装置である｡画像入力回路 予測回路 A-D 送信側符号化部 補間回路 D-A 量子化回路 予測回路
一･(∋
画 像 出力回路 受信側復号化部 注:略語説明 A-D(アナログ信号のディジタル信号変換回路) D-A(ディジタル信号のアナログ信号変換回路) 図川 画像符号,復号化系統図 アナログ画像信号をディジタル 信号に変換する画像コーデックのブロック図を示す｡ 実現した｡画像符号化,復号化の原理系統図を図10にホ す3)･4)｡ 4.2 多重化方式一般にディジタル信号を多幸化する方式には,同期式多重
化方式と非同期多重化方式がある｡ここでは,低次群信号が 互いに非同期であるため非同期多重化方J〔を適用し,CCITT(国際電信電話諮問委員会)の勧告に従い伝送速度,フレーム
速度,ジッタ特件などの設計がされている｡多重変換部の原理系統図を図‖にホす｡
4.3 光伝送方式 本装置は,長距牡光伝送を実現するための光伝送インタフ 32Mビット/秒信号入力 チャネル1････････●-チャネル2 チャネル3一--一一･･ 光入力 ｢-一 送信メモリ 送信メモリ 送信メモリ 多重回路 送信側多重変換部 光インタフェース 光受信回路 ￣￣￣￣｢ l 伝送符号変換回路 道路情報光伝送システム 337 エースを備えている｡光伝送インタフェースは,伝送符弓一変 授部と電気一光変換部で構成している｡伝送符号変換部の役割 は,伝送系が持つ直流信号成分の長鮎離伝送に対する制約条 件からシステムを解放し,巾二流成分を含む任意フォーマット の信号を長距維伝送可能にすることにある｡ 伝送信号符号化方式には,CMI(Coded MarkInversion) とスクランブル方式がよく用いられているが,今凶はスクラ ンブル方上〔を採用した｡伝送距離と伝送速度を支配するのは 電気一光変換部の特性である｡使用する発光素子および′受光素 了･と伝送信号符号化方式の組み合わせ,用いる光ファイバと 波長によって,表2にホす稗々の特性を持つ光伝送インタフ ェースを構成することができるが,布設された光ファイバが シングルモードファイバであり,伝送距離26,6kmを確保する ために,発光素子に1.3ト1m帯LD(Laser Diode:半導体レー 表Z 光インタフェース 発受光素子の組み合わせで実現できる 光インタフェースの伝送速度と伝送距離の関係を示す｡ 伝送速度 Mビット/秒 発光素子 受光素子 伝送距離(km) 0.8ドm帯 l.3トLm帯 l.5トLm帯 32 LED PD 3 】0 LED APD 5 】5 LD PD 8 30* 60* LD APD 】0 40* 90* 100 LED PD 2 +ED APD 5 LD PD 4 25* 40* LD APD 5 30* 50* 注:略語説明など * シングルモードファイバ 伝送符号 スク ランプルドNRZLED(Light Emitting Diode),LD(Laser Diode),PD
(Photo Diode),NRZ(Non-ReturntoZero) ｢ 1 1 光インタフェース 伝送符号変換回路 +__ 分離回路 光送信回路 受信メモリ 受信メモリ 受信メモリ 光出力 32Mビット/秒信号出力 チャネル1 チャネル2 チャネル3 ￣｢ 受信側分離変換部 図Il多重変換部系統図 送信装置で32Mビット/秒のディジタル画像信号3チャネルを多重化し,光インタフェースを介して光伝送する｡
ザ)を,受光素子にAPD(Avalanche f)h()tO
Diode)を使増し
た5)･6)同
32Mビット/秒データ光伝送装置
32Mビット/秒データ光伝送装置は,国道沿いに設置された
気象観測装置データ,トンネル施設管理用データ,ITV制御 信号および電話音声信号を除′きキステーションと月Il仙張所の 間で双方向多重伝送する装置である｡BTS架実装を採用し,光送受信部,多重分離化部,警報部,端末インタフェース部
および信号変換部で構成している｡ 本業買の主要諸ノ亡を表3に,回路系統図を図12に示す｡ 5.1信号多重分離方式 32.064MHzの湛本クロックを分周して6.4MHz,1.6MHz のクロックを生成し,この分周クロックに同期して64kビット/ 秒データを最大480チャネルー捕多重する飛び越し多重方式を 採川した｡送一言側では,信号変換部に人力されたアナログイ言 号およびディジタル信号を,端末インタフェースで1.6MHz グロ､ソクに同期するSYNC(同期)信号に同期させて,パラレ ルな64kビット/秒データ24チャネルを1.6Mビット/秒シリア 多重装置 信号転送装置 アナログ信号入力 光シリアル信号入力 打ち合わせ電話信号 入出力 電話書声信号入出力 ITV制御信号出力 AClOO V 警報信号出力 (制御装置などへ) 32Mビット/秒データ伝送装置 信号変換部1 ｢【￣￣ ｢ _+ 32Mビット/手少 多重分離イヒ部 32M M〕× 32M DMUX 32 Mビット/手少う七 送受イ言吾β 32M OS 32M OR 端末インタ｢
[
TIF PWR PWR PWR｢
.L■+
]
+
｢ ￣ PWR AJM IF + ____ 32Mビット/秒警報部]
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AしMリ
湯殿山除雪ステーション 表3 32Mビット/秒データ光伝送装置主要諸元 導入された装 置の主要諸元および特性を示す｡ 項 目 特 性 下位クロック 64kビット/秒 上位クロック 32.064Mビット/秒 多 重化方式 オクテット多重 回 線 容 量 最大480チャネル(64kビット/秒データ換算) 信 号 速 度 32.064Mビット/秒 光伝送速度 64.128Mビット/秒 光伝送符号 CMl符号 無中継伝送距離 30km 発 光 素 子 LD 受 光 素 子 Ge-APD i皮 長 l.3トLm 電 三原 電 圧 AC100V,50/60Hz 周囲温湿度条件 -10-十400c,90%以下 構 造,寸 法 BTS架実装幅570×奥行き450×高さ2′060(mm) ルデータに変換し,SS信号(電話のONフック,OFFフック信 号)とともに多重化回路に送出する｡多重化回路では,1.6Mビ､バ/秒データとSS信号を4チャネル多幸して6.4Mビット/
32Mビット/秒データ伝送装置 信号変換部2 ｢ I￣￣ ｢ + 32 Mビット/手少光 送受イ言責β 光ファイバ ケーブル[
L
32M OR 32M OS PWR + 端末インタフェース部 32Mビット/手少 多重分離イヒ部｢
[
+
TIF 32M DM〕× 32M MUX PWR PWR1
+
LM AJM IF PWR 32Mビット/秒警報部｢
月山国道維持出張所 アナログ信号出力 RS-232C インタフェース 0∼1V インタフェース 非絶縁ディジタル 接点信号出力 打ち合わせ電話信号 入出力 電話書声信号入出力 ITV制御信号入力 AClOO V 警報信号出力 (制御装置などへ) 注:略語説明 32MOS(光送信回路),32MOR(光受信回路),32MUX(多重回路),32DMUX(分離回路),TIF(電話インタフェース回路) 図12 32Mビット/秒データ光伝送装置回路系統図 気象観測データ(アナログ信号,光シリアル信号),打ち合わせ電話信号およびITV制御信 号を,32Mビット/秒で一括多重双方向伝送する装置である｡秒データとし,さらに6.4Mビット/秒データを5チャネル多
弔して32Mビット/秒データとする｡ これに同期パルスを多幸したのち,スクランブラを通して 32.()64MHzのクロックとともに光送信部に送出する｡受信側 では,送信側と逆の信号変換を行い64kビット/秒データを端 末インタフェースを介して信号変挽部へ送Jl=ノ,アナログ信 号およびディジタル信号に変換されて,集介表′六盤に表示す るとともに,パーソナルコンピュータでデータ処理およびデ ィスプレイ表ホを才￣fうし) 5.2 光伝送方式 本装置の光インタフェースでは,伝送信号符号化方式とし てCMI符号を採川している｡送信側では,多重変換部から受 信した32.()64Mビット/秒のディジタル電∼も信一冒せNRZ(Non-RettlrntOZero)符号からCMI符号に変換し,作動川力で電気一 光変換部に川ノJされる｡電気一光変換部では,1.3ドm帯LDを 駆動して電気伝写･を光乍言号に変換し,光ファイバ伝送路に送 出する｡受信側では,光信号を光一電気変換後,電乞i信号の逆 変換を行い,多毛変換部の分離回路に出力する〔つ田
気象データ伝送装置
気象データ伝送装胃は,図13(ブロック凶)にホすように親
親局(信号変換部1) EOE 巨×PD 子局(信号転送装置) EOE BUS EOE EOE BUS AL Dl ディジタル接点入力信号 孫局(多重装置) アナログ入力信号 図13 気象データ伝送装置ブロック図 道維持出張所でのデータの送出状態を示す｡ EOE BUS Dl アナログ入力信号 道路情報光伝送システム 339 局,子J占,孫局の関係で構成される｡係局として道子上州二設 置する多重装置は,風一戸･J,風速,気圧,積雪量,降ヤー臣事ミニなど のアナログぅも象データを信号変換し,シリアルイ請一引二多市化 し,月l_U変電所に設置され,子局に相当する信号転挽装岩引二 転送する｡信馴転換装置では,月山変電所に集約されるトン ネル管王判肯報などのディジタル接点信号と多弔装置から転送 されるシリアル信号を光シリアル信号に変換し,光ファイバ を介して親局に相当する除雪ステーションに設置された32Mビット/秒データ光伝送装置の信サ変換部1に仁号を転送する‖
信号変換部1では,除雪ステーションに集約される他のアナログ気象データと子局からのデータを多毛して,上=UHl張所
に設置された32Mビット/秒テ+タ光伝送装置の信号変検部2
に伝送する()信号変換部2では,伝送されたイささ弓一を止のアナ ログ†言号およびディジタル信号に変換し,集合表示磐に汁りJ するとともに,RS-232Cインタフェースを介してデータ衷ホ 装置へデータを送出する｡同
情報光伝送システムの特長
今回導入された道路情報光伝送システムは,道路監視川の 画像および乞t象,トンネル管理データなどを統合し光通信に よって伝送するシステムである｡以￣卜にその特良を述べる｡ 信号変換部2 EXPD EOE B〕S EXPD AO DO アナログ出力信号 RS-232C インタフェース ディジタル出力信号 注:略語説明 Al(アナログ信号入力回路) D=ディジタル接点信号入力回路) AO(アナログ信号出力回路) DO(ディジタル信号出力回路) EOE(伝送制御回路) EXPD(信号分配回路) B〕S(バス回路) 湯殿山除雪ステーションでの気象,トンネル管理データの取込みおよび月山国(1)道路監視用ITVカメラとしては,国内初の3板式固体カ ラーカメラが採用され,高解像度,高品位な画像で道路監視
